國(guó)內(nèi)外TA15鈦合金板材微觀組織及疲勞性能研究

TA15鈦合金的名義成分為 Ti -6.5Al -2Zr-1Mo-1V ， TA15 鈦合金屬于高 Al 當(dāng)量的近 α 型鈦合[1-3]。TA15鈦合金作為近α 型合金，其組織和力學(xué)性能對(duì)熱處理工藝參數(shù)變化不敏感，因此熱變形工藝參數(shù)的選擇就顯得尤為重要，如何制定嚴(yán)格的熱成形工藝方案以控制微觀結(jié)構(gòu)的演變進(jìn)而獲得理想的性能是面臨的主要問(wèn)題。基于微觀結(jié)構(gòu)的控制優(yōu)化材料性能，主要涉及微觀組織結(jié)構(gòu)和物相組成等方面 . 目前，大量的 TA15鈦合金研究主要集中在不同熱加工條件下微觀顯微組織演變規(guī)律及其對(duì)性能的影響， TA15 在兩相區(qū)熱處理時(shí)獲得雙態(tài)和等軸組織，在 β 相區(qū)熱處理獲得魏氏組織，冷卻速率決定 α 片層和 α 集束的尺寸[4] 。文獻(xiàn)[[5]認(rèn)為，對(duì)于薄板而言，提高退火溫度材料強(qiáng)度降低，塑性提高，而對(duì)厚板這種現(xiàn)象不明顯，熱處理參數(shù)的變化對(duì) TA15鈦合金板材的顯微組織影響不大 . 文獻(xiàn)[6-7]研究表明，雙重?zé)崽幚磉^(guò)程中一次保溫時(shí)間對(duì)等軸初生α_p相形貌及分布等影響較大;二次保溫時(shí)間對(duì) α s 相形貌、尺寸等具有顯著影響 . 文 獻(xiàn)[8]研究了基于模擬軋制工藝對(duì)TA15組織及性能的影響 。基于熱加工條件下組織演變規(guī) 律對(duì)力學(xué)性 能的影響研 究較少，而瞄準(zhǔn)TA15合金寬幅板材工業(yè)化生產(chǎn)，在加工成型過(guò)程中板材組織及其對(duì)最終加工成型板材性能的影響還未開(kāi)展深入的研究工作 。文中結(jié)合TA15鈦板的實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)線工藝，研究工業(yè)化生產(chǎn)工藝條件下TA15合金板材的組織形態(tài)及其對(duì)力學(xué)性能的影響，研究疲勞斷裂特征，以期相關(guān)研究能為從事相關(guān)工作的人員提供一定的參考 。

1、材料與方法

TA15 合金經(jīng) 1 個(gè)火次軋制 (軋制溫度 9３0℃ )獲得 δ 27mm 厚板材，其加工過(guò)程如圖 1 所示 .在 MTS370液壓萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)和高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)測(cè)試材料的拉伸和疲勞性能，并利用光學(xué)顯微鏡和JSM-6460 掃描電鏡觀察板材的組織結(jié)及物相組成，并對(duì)疲勞試樣的斷口進(jìn)行了觀察分析。

2、試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 微觀組織

圖 2 為TA15鈦板的顯微組織，橫向及軋面組織均為典型的雙態(tài)組織由初生 α 相和 β 轉(zhuǎn)變組織組成 . 由圖 2 可以看到，橫向及軋面組織也有一定的區(qū)別:軋面組織的初生 α 相近似等軸，晶粒尺寸為25~４5 μ m (圖 2 ( a ))，而橫向組織中的初生 α 相有明顯的方向性，初生 α 相為長(zhǎng)條狀，這是由于在軋制過(guò)程中，橫向組織受到垂直方向的壓力，導(dǎo)致初生 α 相受到擠壓變形并產(chǎn)生一定的方向性 。

圖 ３ 為 TA15 板材的電子背散射衍射( Elec -tronBackScatteredDiffraction ， EBSD )相圖，其中不同襯度的區(qū)域晶格結(jié)構(gòu)不同 . 與金相組織分析結(jié)果相同，顯微組織由 α 相和 β 相組成，初生及次生 α相所占比例較高，β 相所占比例較低 .圖 ３ 中的黑點(diǎn)為數(shù)據(jù)掃描過(guò)程中出現(xiàn)的無(wú)效點(diǎn)。

2.2 疲勞性能

在軋制后的TA15鈦板材，切取試樣毛坯，加工成杯狀光滑疲勞試樣，測(cè)試了室溫下光滑試樣的高周疲勞性能，疲勞試驗(yàn)在室溫大氣中進(jìn)行，試驗(yàn)波形為正弦波，頻率為 117Hz ，應(yīng)力比 R =0.1 ，根據(jù)升降法確定材料的疲勞極限 . 本試驗(yàn)所選取的最大應(yīng)力 分 別 為 625MPa ， 6４0MPa ， 6４5MPa ， 650MPa ， 675MPa ， 750MPa 和 800MPa ，每一級(jí)應(yīng)力選取 2 根試樣，取 2 根試樣結(jié)果的算數(shù)平均值作為該應(yīng)力下的疲勞壽命 [9-10 ]。

結(jié)果表明試樣在 σ max ≤6４5MPa 時(shí)，試樣經(jīng) 107 次循環(huán)均未斷裂，故材料的疲勞極限為 6４5MPa。由試樣在上述不同應(yīng)力下的疲勞壽命結(jié)果可以得到 TA15 板的應(yīng)力 S - 循環(huán)。

2.３ 疲勞斷口形貌

圖 5 為樣品在不同加載應(yīng)力下的宏觀斷口形貌 . 由圖 5 可以看出，在不同應(yīng)力水平下疲勞試樣低倍斷口總體特征相同，斷口均由裂紋源區(qū) Ⅰ 、裂紋擴(kuò)展區(qū) Ⅱ 和瞬斷區(qū) Ⅲ３ 個(gè)不同區(qū)域組成，并且疲勞裂紋源均萌生于樣品表面 . 但是不同應(yīng)力水平下疲勞斷口中，裂紋擴(kuò)展區(qū) Ⅱ 在整個(gè)斷口所占比例有所不同，圖 5 ( a )( 800MPa )中裂紋擴(kuò)展區(qū)所占比例最小，圖 5 ( c )( 650MPa )中裂紋擴(kuò)展區(qū)所占比例最大，即 TA15 在疲勞試驗(yàn)中，隨著應(yīng)力水平的降低裂紋擴(kuò)展區(qū)所占比例增加。

圖 6 為同一應(yīng)力水平下試樣的斷口形貌圖(最大應(yīng)力為 750MPa )，圖 6 ( a )為斷口宏觀形貌，如圖 6 ( b ) ~ ( d )分別為疲勞源、裂紋擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)的顯微形貌 . 由圖 6 ( b )可以觀察到裂紋源區(qū)的微觀形貌呈現(xiàn)解理和沿晶斷口的特征，在圖 6 ( c )裂紋擴(kuò)展區(qū)可以觀察到明顯的疲勞輝紋，同時(shí)瞬斷區(qū)呈現(xiàn)出韌窩和穿晶混合斷口特征。

３、結(jié) 論

1 )由板材的金相顯微組織圖及 EBSD 相圖的物相分析表明: TA15鈦板材橫向及軋面組織均為典型的雙態(tài)組織，由初生 α 相和 β 轉(zhuǎn)變組織組成，橫向及軋面的初生 α 相形態(tài)有一定的差異。

2 )采用升降法利用高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)得到了在應(yīng)力 比 R = 0.1 時(shí)， TA15 板 材 的 疲 勞 極 限 為6４5MPa。

3）由疲勞斷口可以觀察到疲勞裂紋萌生于試樣表面，宏觀斷口形貌呈現(xiàn)典型的三個(gè)區(qū)域，即裂紋源區(qū) Ⅰ 、裂紋擴(kuò)展區(qū) Ⅱ 和瞬斷區(qū) Ⅲ. 各區(qū)域斷口微觀特征分別為裂紋源區(qū)主要呈現(xiàn)為沿晶的解理斷口，裂紋擴(kuò)展區(qū)觀察到明顯的疲勞輝紋，瞬斷區(qū)則出現(xiàn)大量韌窩并表現(xiàn)出穿晶斷裂的斷口形貌。 同時(shí)，對(duì)比不同應(yīng)力條件下的疲勞斷口，可以發(fā)現(xiàn)隨著應(yīng)力強(qiáng)度的降低，裂紋擴(kuò)展區(qū)面積逐漸增加 。

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